CN105399112A - 一种合成氨合成***优化改进的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合成氨合成***优化改进的方法和装置，属于合成氨技术领域。方法包括以下步骤：a、合成塔的二出气经废热锅炉进行热量回收，反应气再经热交换器与合成塔的一出气进行热交换，换热后的反应气依次经软水加热器和水冷却器进行降温；b、降温后的反应气经冷交换器与步骤c中的混合气进行换热降温，再经氨分离器分离部分液氨，分离液氨的反应气经氨冷凝器进行冷凝；c、剩余的反应气与原料气混合后，经冷交换器分离液氨后再与步骤b中的反应气进行换热升温，升温后的混合气通过循环压缩机送入合成塔。在该***中合成进口氨含量由原来的2.7%降至2.1%，出口氨含量由原来的11.5%略涨至12.4%。
Description
技术领域
本发明属于合成氨技术领域，特别涉及一种合成氨合成***优化改进的方法和装置，尤其涉及一种在现有的合成氨***的基础上进行改造而具有良好效果的合成氨的方法和***。
背景技术
氨气，Ammonia，NH3，无色气体，有强烈的刺激气味；密度0.7710，相对密度0.5971（空气=1.00）；易被液化成无色的液体，在常温下加压即可使其液化（临界温度132.4℃，临界压力11.2兆帕，即112.2大气压），沸点-33.5℃，也易被固化成雪状固体，熔点-77.75℃；溶于水、乙醇和***。在高温时会分解成氮气和氢气，有还原作用；有催化剂存在时可被氧化成一氧化氮。用于制液氮、氨水、硝酸、铵盐和胺类等。可由氮和氢直接合成而制得。能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入过多，能引起肺肿胀，以至死亡。
氨用于制造氨水、氮肥（尿素、碳铵等）、复合肥料、硝酸、铵盐、纯碱等，广泛应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域。含氮无机盐及有机物中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。此外，液氨常用作制冷剂，氨还可以作为生物燃料来提供能源。
工业上氨是以哈伯法通过N2和H2在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成：
N2+3H2==高温高压催化剂===2NH3（可逆反应）
△rHθ=-92.4kJ/mol
工业制氨绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。氮气主要来源于空气；氢气主要来源于含氢和一氧化碳的合成气（纯氢也来源于水的电解）。由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。
在氨的工业化生产中，通常采用合成塔进行合成，合成塔后面设置热量回收与冷凝结构，用于回收反应气中的热量和将氨气冷凝为液氨，剩余的气体循环使用，再送入合成塔中。其基本过程为：a、合成塔的二出气依次与废热锅炉、软水加热器进行换热，反应气再经热交换器与合成塔的一出气进行热交换（将二入气升温至130-145℃），换热后的反应气经水冷却器进行降温；b、降温后的反应气经氨分离器分离部分液氨（很少一部分），分离液氨后的反应气经冷交换器与步骤c中的混合气进行换热降温，再经氨冷凝器进行冷凝；c、剩余的反应气与新鲜的气体混合后送入冷交换器与步骤b中的反应气进行换热升温，分离液氨，升温后的混合气通过循环压缩机送入合成塔。
当然，现有技术中也有上述技术的不同实施方式，但大体上按照上述思路而来。
如申请号为201320331977.2的专利公开了一种合成氨***，包括依次连接的冷交换器、循环机、热交换器、合成塔、中置锅炉，以及氨分离器和氨冷器，其中冷交换器还与氨分离器和氨冷器依次连接。本发明的工作流程如下：从压缩七段来的合格精炼气，与经过氨冷后的循环气混合进入冷交换器，分离掉部分液氨和油水后进入循环机，再从循环机出来经过油分后，进入热交换器中进行升温，后进入合成塔中进行氨合成反应，气体经底部换热器引出进中置锅炉与中置锅炉的内水换热产生蒸汽进入蒸汽总管，而后从中置锅炉出来经合成塔底部换热器进行换热，换热后出合成塔再经过热交换器、水冷降温后进入冷交换器上部换热器，出来进氨分离器，在氨分离器中分离掉部分液氨后进入氨冷器进一步冷却，冷却后的循环气与新鲜的气体混合后一起进入冷交换器，如此反复循环，氨分离器和冷交换器分离出的液氨送冷冻氨贮槽。一部分贮槽来液氨进入氨冷器，蒸发后送冷冻循环使用。
如申请号为201310548141.2的专利公开了一种合成氨生产过程中的新型制冷的方法，包括以下步骤：
a、出合成塔的合成反应气经过换热器回收高位热能后降为106℃，反应气再经过氨蒸
发器的管程进行冷却，氨蒸发器从下部壳程中加入液氨制冷剂，液氨在氨蒸发器壳程上部
蒸发出2.1mpa、80℃的气氨，反应气经过氨蒸发器的管程后温度降为68℃，然后进入水冷
却器，经水冷却器冷却后反应气降为30℃；
b、出水冷却器的反应气进入冷交换器后冷却到10℃，再进入氨冷凝器的管程进行冷却，氨冷凝器从下部壳程中加入液氨制冷剂，液氨在氨冷凝器壳程上部蒸发出1.7mpa、5℃的气氨，反应气经过氨冷凝器的管程降低至-2℃、然后进入冷交换器下部的氨液分离装置，分离其中的液氨，送至液氨储罐，剩余的反应气作为循环气去循环机，返回到合成塔；c、氨蒸发器中蒸发出2.1Mpa、80℃的中压气氨进入氨喷射器的喷射室，氨冷凝器蒸发出的0.17Mpa、5℃的低压气氨进入氨喷射器的吸入室，在喷射器中中低压气氨混合扩压至1.2Mpa、55℃后，进入蒸发式冷凝器冷凝成30℃液氨后，进入氨储槽。
申请人在实现现有技术过程中发现如下问题：
1、现有技术中合成二出气经废热锅炉换热降温至190-200℃，再通过软水加热器换热后降温至165-175℃，部分热量由软水加热器的热水带至管网，致使热交换器的热气出口（合成塔的二入气）温度低（130-145℃左右），相对降低了***循环量。
2、由于合成氨中水冷却器采用循环水闭路循环，冷却水温度32℃左右，致使出水冷却器后的循环气的温度大于36℃，循环气中的氨基本上没有液化，氨分离器基本上没有氨可分离，合成循环气全部在冷交换器内分离出来，这样大大增加了冷交换器的负荷，合成塔进口氨含量在2.7%左右。
以上两点造成进合成塔的气氨含量高，***循环量变小，氨合成正反应受到抑制，总转化率降低，***压力增高，电耗升高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种合成氨合成***优化改进的方法和装置，采用现有的合成氨***进行改造，能有效降低整个***的压力和氨循环量。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种合成氨合成***优化改进的方法，该方法包括以下步骤：
a、合成塔的二出气经废热锅炉进行热量回收，反应气再经热交换器与合成塔的一出气进行热交换，换热后的反应气依次经软水加热器和水冷却器进行降温；
b、降温后的反应气经冷交换器与步骤c中的混合气进行换热降温，再经氨分离器分离部分液氨，分离液氨的反应气经氨冷凝器进行冷凝；
c、剩余的反应气与原料气混合后，经冷交换器分离液氨后再与步骤b中的反应气进行换热升温，升温后的混合气通过循环压缩机送入合成塔。
进一步地，本发明实施例中的原料气经冷却器和油分离器进行处理。
进一步地，本发明实施例中的循环压缩机输出的混合气送合成塔的一入气进口或二入气进口。
具体地，本发明实施例提供的包括以下步骤：
a、合成塔的二出气经废热锅炉进行热量回收降温至190-200℃，反应气再经热交换器与合成塔的一出气进行热交换降温至135-145℃，换热后的反应气依次经软水加热器降温至112-118℃和水冷却器降温至35-40℃；
b、降温后的反应气经冷交换器与步骤c中的混合气进行换热降温至20℃以下，再经氨分离器分离部分液氨，分离液氨的反应气经氨冷凝器进行冷凝；
c、剩余的反应气与原料气混合经冷交换器分离液氨后再与步骤b中来自水冷却器的反应气进行换热升温，升温后的混合气通过循环压缩机送合成塔的一入气进口或二入气进口。
另一方面，本发明实施例还提供了一种合成氨合成***优化改进装置，包括合成塔、废热锅炉、热交换器、软水加热器、水冷却器、冷交换器、氨分离器、氨冷凝器和循环压缩机；所述合成塔的二出气出口与废热锅炉的进气口连接，所述废热锅炉的出气口与热交换器的热气进口连接，所述热交换器的冷气出口与软水加热器、水冷却器依次连接，所述热交换器热的冷气进口与合成塔的一出气出口连接，所述热交换器的热气出口与合成塔的二入气进口连接，所述冷交换器的热气进口与水冷却器连接，所述冷交换器的冷气出口与氨分离器、氨冷凝器依次连接，所述冷交换器的冷气进口与氨冷凝器连接，所述冷交换器的热气出口、循环压缩机和合成塔依次连接，所述液氨储罐与氨冷凝器和冷交换器连接。
其中，本发明实施例中的冷交换器的冷气进口与第一油分离器连接，所述第一油分离器与原料气供气口之间设有原料气冷却器。
其中，本发明实施例中的循环压缩机与合成塔之间设有第二油分离器。
其中，本发明实施例中的循环压缩机与合成塔的一入气进口和二入气进口连接。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：合成工艺改造后，废热锅炉出口的190-200℃循环气直接至热交换器与合成二进气换热，二进气温度可提高至165-175℃，可提高2个氨净值的循环量，同时降低了进水冷却器气体10℃左右，循环气经水冷却器及冷交换器降温后，进氨分离器循环气温度由原36℃以上降至18℃以下，循环气中40%-50%氨在氨分中分离出，55%的氨进一步在冷交换器中分离出，合成循环气中的氨含量可降至1.7%以下，氢氮气转化率可提高2个百分点，合成***的压力可降1-2MPa，根据经验计算吨氨可节电约16度。
附图说明
图1是现有技术中的合成氨***的结构框图；
图2是本发明实施例提供的合成氨***的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
参见图2，本发明实施例提供了一种合成氨合成***优化改进装置，包括合成塔1、废热锅炉2、热交换器3、软水加热器4、水冷却器5、冷交换器6、氨分离器7、氨冷凝器8和循环压缩机9等。其中，合成塔1的二出气出口与废热锅炉2的进气口连接，废热锅炉2的出气口与热交换器3的热气进口连接。热交换器3的冷气出口与软水加热器4（可与废热锅炉2连接）、水冷却器5（进口）依次连接，热交换器热3的冷气进口与合成塔1的一出气出口连接，热交换器的热气出口与合成塔的二入气进口连接。冷交换器6的热气进口与水冷却器5（出口）连接，冷交换器6的冷气出口与氨分离器7、氨冷凝器8（进口）依次连接。冷交换器6的冷气进口与氨冷凝器8（出口）连接，冷交换器6的热气出口、循环压缩机9和合成塔1依次连接。液氨储罐（图未示）与氨冷凝器8和冷交换器6连接用于收集液氨。其中，废热锅炉2用于产生高温蒸汽并入蒸汽管网中，热交换器3为气气热交换器，用于将合成塔1出来的反应气与合成塔1出来的一出气进行换热，不但降低了反应气的温度，还提高了二入气的温度。软水加热器4为常见的软水加热结构，可以直接提供热水（送入变换和造气工段等），也可以为废热锅炉2提供预热后的软水，具体可以为列管换热器。水冷却器5具体为循环喷淋式降温结构。冷交换器6为气气换热器，其底部设有分离器用于分离液氨。氨分离器7用于分离液氨。氨冷凝器8具体采用液氨制冷。循环压缩机9用于使反应气强制循环并控制整个***的压力。
其中，参见图2，本发明实施例提供的***还包括第一油分离器10和原料气冷却器11，其中，冷交换器6的冷气进口与第一油分离器10连接，第一油分离器10与原料气供气口之间设有原料气冷却器11（具体可以采用液氨制冷）。
其中，参见图2，本发明实施例提供的***还包括第二油分离器12，循环压缩机9与合成塔1之间设有第二油分离器12。
当然，本发明提供的***还包括其他结构，如放空缓冲罐和其他油分离器等。
其中，参见图2，本发明实施例中的循环压缩机9与合成塔1的一入气进口和二入气（冷激气）进口连接。
其中，本发明的各结构与现有合成氨***的各结构的各参数基本一致，如水循环量、制冷能力、换热能力等，各结构可以直接采用原***的结构，只需要调整其中四个结构的连接关系，且各结构的控制参数和能力不变，改装成本非常低。
本发明在现有的合成氨***中，交换了热交换器和软水加热器，氨分离器和冷交换器的位置，两个位置的交换缺一不可，只有任何一个位置的交换都不能达成目的；在本发明中，简单的位置交换却能达到非常大的效果，从单个结构并不能体现其出色的效果，但从整个***来看，能降低整个***的压力，减低***的氨循环量，减少电耗。
实施例2
参见图2，本发明实施例提供了一种应用实施例1提供的装置合成氨的方法，包括以下步骤：
a、合成塔1的二出气经废热锅炉2进行热量回收降温至200℃，反应气再经热交换器3与合成塔1的一出气进行热交换降温至140℃（此时，合成塔1的一出气经热交换器3换热后送入合成塔的二入气为167℃），换热后的反应气依次经软水加热器4降温至115℃和水冷却器5降温至37℃。
b、由水冷却器5降温后的反应气经冷交换器6与步骤c中的混合气（来自氨冷凝器8的剩余气体与原料气混合）进行换热降温至17℃，此时有45%左右的液氨冷凝，再经氨分离器7分离液氨，分离液氨后的反应气经氨冷凝器8进行冷凝。
c、由氨冷凝器8冷凝后剩余的反应气与原料气（经冷却和油分离）混合后，经冷交换器6底部的分离结构分离液氨后再与步骤b中的反应气（来自水冷却器5）进行换热升温，升温后的混合气通过循环压缩机9送入合成塔1（经油分离后送合成塔1的一入气进口或二入气进口）。合成改造后，合成二入气达167℃，热交换器3出口气140℃，软水加热器4出口115℃，水冷却器5出口37℃，氨分离器7进口温度降至17℃，部分液氨从氨分离器7分离出去减轻了冷交换器6的负荷，合成进口氨含量由原来的2.7%降至2.1%，出口氨含量由原来的11.5%略涨至12.4%，合成循环机近路阀全关，冷激副线开启度约1圈，合成反应良好，***压力由原来的29.2MPa降低至28.0MPa，压缩机电耗与同期相比，每天下降0.8系数即0.8×3000=2400KWh，吨氨电耗下降20KWh。根据经验计算吨氨可节电16度左右，产效益30.72万元，合成工艺改造投资在10.4万元左右，半年可收回投资，年产效益16×4×0.48=30.72万元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种合成氨合成***优化改进的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、合成塔的二出气经废热锅炉进行热量回收，反应气再经热交换器与合成塔的一出气进行热交换，换热后的反应气依次经软水加热器和水冷却器进行降温；
b、降温后的反应气经冷交换器与步骤c中的混合气进行换热降温，再经氨分离器分离部分液氨，分离液氨的反应气经氨冷凝器进行冷凝；
c、剩余的反应气与原料气混合后，经冷交换器分离液氨后再与步骤b中的反应气进行换热升温，升温后的混合气通过循环压缩机送入合成塔。
2.根据权利要求1所述的合成氨合成***优化改进的方法，其特征在于，所述原料气经冷却器和油分离器进行处理。
3.根据权利要求1所述的合成氨合成***优化改进的方法，其特征在于，所述循环压缩机输出的混合气送合成塔的一入气进口或二入气进口。
4.根据权利要求1所述的合成氨合成***优化改进的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、合成塔的二出气经废热锅炉进行热量回收降温至190-200℃，反应气再经热交换器与合成塔的一出气进行热交换降温至135-145℃，换热后的反应气依次经软水加热器降温至112-118℃和水冷却器降温至35-40℃；
b、降温后的反应气经冷交换器与步骤c中的混合气进行换热降温至20℃以下，再经氨分离器分离部分液氨，分离液氨的反应气经氨冷凝器进行冷凝；
c、剩余的反应气与原料气混合经冷交换器分离液氨后再与步骤b中来自水冷却器的反应气进行换热升温，升温后的混合气通过循环压缩机送合成塔的一入气进口或二入气进口。
5.一种合成氨合成***优化改进装置，包括合成塔、废热锅炉、热交换器、软水加热器、水冷却器、冷交换器、氨分离器、氨冷凝器和循环压缩机；其特征在于，
所述合成塔的二出气出口与废热锅炉的进气口连接，所述废热锅炉的出气口与热交换器的热气进口连接，所述热交换器的冷气出口与软水加热器、水冷却器依次连接，所述热交换器热的冷气进口与合成塔的一出气出口连接，所述热交换器的热气出口与合成塔的二入气进口连接，所述冷交换器的热气进口与水冷却器连接，所述冷交换器的冷气出口与氨分离器、氨冷凝器依次连接，所述冷交换器的冷气进口与氨冷凝器连接，所述冷交换器的热气出口、循环压缩机和合成塔依次连接，所述液氨储罐与氨冷凝器和冷交换器连接。
6.根据权利要求5所述的合成氨合成***优化改进装置，其特征在于，所述冷交换器的冷气进口与第一油分离器连接，所述第一油分离器与原料气供气口之间设有原料气冷却器。
7.根据权利要求5所述的合成氨合成***优化改进装置，其特征在于，所述循环压缩机与合成塔之间设有第二油分离器。
8.根据权利要求5所述的合成氨合成***优化改进装置，其特征在于，所述循环压缩机与合成塔的一入气进口和二入气进口连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Method and Device for Optimizing and Improving Synthetic Ammonia Synthesis System Effective date of registration: 20230731 Granted publication date: 20170718 Pledgee: Bank of China Limited Huanggang branch Pledgor: HUBEI XIANGYUN (Group) CHEMICAL Co.,Ltd. Registration number: Y2023420000318 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |